Determination of the Force Required for Stripping the Wheat Ear

Texto integral

Введение

Одной из перспективных технологий уборки зерновых культур является технология очеса растений на корню. В нашей стране и за рубежом производятся исследования, направленные на создание линейки очесывающих адаптеров к зерноуборочным комбайнам [1], а также прицепных уборочных машин очесывающего типа¹, удовлетворяющих требованиям уборки зерновых.

Отличительной особенностью технологии очеса зерновых на корню является повышение доли зерна в получаемом ворохе [2; 3], что создает предпосылки для увеличения производительности уборочного агрегата.

Для уборки сельхозкультур предложены различные схемы очесывающих аппаратов, имеющих некоторые технологические отличия и особенности [4; 5], обуславливающие область их использования. Основными типами очесывающих устройств для уборки зерновых являются однобарабанные и двухбарабанные гребневые устройства.

Одним из параметров, характеризующих процесс очеса, является усилие, необходимое для очеса колоса. Очевидно, что усилие варьируется в некоторых пределах в зависимости от сорта растений, влажности зерна и морфоструктурных параметров продуктивности колоса. Для определения усилий очеса озимой пшеницы различных сортов проведена серия опытов.

Результаты исследований по определению усилий очеса необходимы для решения нескольких задач. Одной из таких задач является определение потребной мощности на привод очесывающего барабана [6; 7]. Результаты опытов позволят производить оценку требуемой мощности на очес с учетом фактических морфоструктурных показателей продуктивности колоса растений и корректно подбирать энергетические параметры агрегата в целом.

Другой важной задачей уборки зерновых методом очеса является минимизация таких явлений, как отрыв колоса и теребление растений из почвы. Данные явления негативно влияют на процесс направленного движения очесанного вороха по гребенке. При этом возможное наматывание вырванных стеблей на очесывающий барабан ведет к повышенным потерям зерна. Учет данного фактора при проектировании очесывающих устройств вынуждает увеличивать диаметр очесывающего барабана, что ведет к повышению потребной мощности холостого хода барабана.

Полученные усилия очеса позволят сформировать базу для сравнения со значениями усилий отрыва колоса, усилиями теребления растений из почвы и дать рекомендации по минимизации потерь зерна, вызванных указанными явлениями.

На основании анализа обозначенных проблем сформированы следующие задачи исследования:

– выбор морфоструктурных показателей продуктивности колоса, влияющих на усилие очеса;

– определение усилий очеса по сортам пшеницы;

– оценка морфоструктурных показателей продуктивности колоса по сортам пшеницы;

– сопоставление полученных усилий очеса с морфоструктурными показателями продуктивности колосьев пшеницы соответствующих сортов.

Обзор литературы

Прочность связи зерна с колосом определяется усилием, с каким оно удерживается в цветоложе и в колосе чешуями. Усилие на отрыв зерна от цветоложа в 2,5 раза превышает силу, удерживающую чешуями зерно в колосе².

Известно, что в зависимости от спелости зерна эти усилия изменяются по-разному [8]. Сила отрыва зерна от цветоложа по мере созревания уменьшается. Сила, удерживающая зерно в колосе чешуями, увеличивается.

Разрушение связей зерна с колосом может быть статическое и динамическое. При статическом разрушении определяют силу, необходимую для этого.

Динамическое разрушение связей зерна происходит при приложении быстро изменяющейся нагрузки. При этом скорость изменения нагрузки настольно велика, что значительная часть работы внешней силы переходит в кинетическую энергию движущихся частиц зерносоломистой массы, а энергия упругих деформаций оказывается сравнительно малой. В связи с этим динамическое разрушение связей зерна воспроизводят, когда необходимо  определить работу внешних сил. Известны способы реализации данного метода разрушения, предполагающие использование маятникового или ротационного копров [9; 10].

Статическое разрушение связей зерна с колосом будет характеризоваться нормальными скоростями деформации, то есть скоростями, лежащими в пределах следующего диапазона:

$\frac{d\epsilon }{dt}=\mathrm{0,01}-3$  мин^-1,        (1)

где ɛ – относительное удлинение; t – время.

Известны результаты исследований статистического метода разрушения связей зерна³. При вращении колоса в центрифуге, реакция связей, обусловленная центробежной силой, разрушает эти связи силой:

$P=\frac{Gr{\omega }^2}{g}$ ,                     (2)

где G – вес зерна; r – расстояние от оси вращения до зерна в колосе; ω – угловая скорость центирифуги; g – ускорение свободного падения.

Для твердых пшениц полученная сила составила 1,5…1,9 Н; для мягких пшениц – 0,98…1,75 Н.

Исследования усилий отрыва зерна от колоса в период восковой и полной спелости на полевых измерительных станциях с использованием динамометра [11] показали уменьшение усилия отрыва с каждым днем перестоя после полной спелости. Максимальные усилия отрыва зерна от колоса к концу агросрока для озимой пшеницы сорта «Лучезар» составили 4 Н.

Известны результаты исследования энергоемкости выделения зерна из колоса при знакопеременном нагружении связей зерна с колоссом [12]. Максимальное усилие в цикле выделения зерен из колоса пшеницы составило около 31 Н.

Некоторые авторы рассматривают процесс очеса как одну из разновидностей процесса обмолота [13]. Отмечено, что использование этой разновидности технологии обмолота позволяет значительно снизить потребление энергии.

Процесс выделения зерна из колоса при очесе имеет определенные особенности. В процессе очеса щель гребенки взаимодействует не с отдельным зерном, а с колосками, содержащими по несколько зерен и при этом еще и взаимодействующими друг с другом. Также необходимо отметить, что работа некоторых конструкций очесывающих аппаратов подразумевает не протягивание колоса между зубьями гребенки с выделением зерна, а отрыв колоса [14]. Это уже несколько специфическая технология и термин «усилие очеса» здесь не совсем корректен.

Материалы и методы

Для определения сил, необходимых для разрушения связей зерна пшеницы с колосом, была проведена серия опытов. Экспериментальные исследования производились в Калужской области на полях Калужского НИИ Сельского Хозяйства. Объект исследования – пшеница сортов «Касар», «Московская 56», «Московская 40». Влажность зерна пшеницы указанных сортов на протяжении исследований составляла 12,2–13,6 %.

Пшеница «Касар» – новый сорт озимой пшеницы, созданный совместно учеными Калужского НИИСХ и НИИСХ Юго-Востока (г. Саратов). Колос веретеновидный. Плотность составила 20–22 колоска на 10 см колоса. Сорт по результатам оценки в экологическом сортоиспытании в среднем за 2009–2012 гг. при урожайности зерна 63,9 ц/га достоверно превысил стандартный сорт пшеницы озимой «Московская 39» на 12,3 ц/га или на 23,8 %⁴. Сорт проходит испытания в Госкомиссии РФ.

Пшеница «Московская 40» – мягкая озимая пшеница. Колос веретеновидный, средней плотности или плотный, белый, короткий или средней длины. Ости на конце колоса средней длины или длинные. Масса 1000 зерен 37–48 г. Рекомендован для возделывания в Тульской области. Средняя урожайность в регионе – 33,7 ц/га.⁵

Пшеница «Московская 56» – мягкая озимая пшеница. Колос полубулавовидный, рыхлый или средней плотности, белый, короткий или средней длины. Ости на конце колоса средней длины. Масса 1000 зерен 40–49 г. Рекомендован для возделывания в Тульской области и Центральной зоне Московской области. Средняя урожайность в Центральном регионе – 32,2 ц/га⁶.

В связи с тем что морфоструктурные элементы продуктивности колоса могут существенно изменяться от условий выращивания, непосредственно перед испытаниями была произведена оценка длины колоса и плотности колосьев. Также было выдвинуто предположение, что на процесс взаимодействия гребенки с колосом влияют такие параметры, как ширина и толщина колоса. Данные параметры также были оценены.

Морфоструктурные параметры продуктивности колоса измерялись с использованием линейки и штангенциркуля. Средние показатели подсчитывались по десяти замерам.

Для физического моделирования процесса очеса и измерения усилия очеса было изготовлено измерительное устройство на базе тензопреобразователя. Схема измерительного устройства представлена на рисунке 1. Измерительное устройство включает механическую часть и регистрирующую часть. Механическая часть устройства напрямую взаимодействует с колосом растения и имеет контактные поверхности, повторяющие рабочие поверхности криволинейных, отогнутых вперед гребенок очесывающего устройства, боковые кромки зубьев которых расположены параллельно. В процессе измерения колос протягивался через щель гребенки при ее поступательном движении регистрировались максимальные усилия очеса.

 

 

Рис. 1. Измерительное устройство: 1 – гребенка; 2 – кронштейн; 3 – тензопреобразователь

Fig. 1. Measuring device: 1– stripping fingers; 2 – вracket; 3– strain gauge

 

В связи с различными показателями морфоструктурных элементов указанных сортов, измерение усилия очеса для каждого сорта производилось гребенками с различной шириной щели: 5, 6 и 7 мм. Предполагалось, что использование гребенок с различной шириной щели даст различную степень очеса и различные усилия очеса.

Для каждого сочетания сорта и ширины гребенки минимальное запланированное количество опытов было равно восьми. Дополнительные опыты проводились при появлении резковыделяющихся результатов.

Результаты исследования

Произведена оценка предложенных морфоструктурных показателей колоса (табл. 1). Показатели плотности колоса исследуемых сортов в целом были близки. При этом пшеница сорта «Московская 56» имела меньшее число колосков на 1 см колоса – 2,1. Что касается размеров колоса, то здесь явно выделялась пшеница «Касар». Растения данного сорта имели значительно более крупные колосья. Средние значения ширины и толщины составили 12,8 и 11 мм соответственно.

Таблица 1 Показатели структуры колосьев пшеницы

Table 1 Structure indicators of wheat ears

Предварительные опыты по очесу пшеницы «Касар» указанными гребенками показали, что очес гребенкой с шириной щели 5 мм нецелесообразен, так как большинство опытов закончились обрывом колоса. Результаты измерений усилий очеса пшеницы «Касар» с гребенками 6 и 7 мм показаны на диаграмме рисунка 2. Как видно из диаграммы, усилие очеса при использовании гребенки со щелью 7 мм изменялось в пределах 13,4...16,8 Н. Усилие очеса при использовании гребенки со щелью 6 мм составило 17,4...24,2 Н.

 

Рис. 2. Диаграмма усилий очеса колоса пшеницы сорта «Касар»: 1 – гребенка со щелью 6 мм;
2 – гребенка со щелью 7 мм

Fig. 2. Diagram of stripping strange of “Kasar” wheat: 1 – stripping fingers with a gap of 6 mm;
2 – stripping fingers with a gap of 7 mm

 

Исследования очеса пшеницы «Московская 56» показали, что измерение усилия очеса гребенкой с шириной щели 7 мм нецелесообразно, так как взаимодействие гребенки и колоса находится на минимальном уровне, и колосья практически не прочесываются. Результаты измерений усилий очеса пшеницы «Московская 56» с гребенками 5 и 6 мм показаны на диаграмме рисунка 3. Как видно из диаграммы, усилие очеса при использовании гребенки со щелью 6 мм изменялось в пределах 7,4...12,2 Н. Усилие очеса при использовании гребенки со щелью 5 мм составило 12...17,2 Н.

 

 

Рис. 3. Диаграмма усилий очеса колоса пшеницы сорта «Московская 56»:
1 – гребенка со щелью 5 мм; 2 – гребенка со щелью 6 мм

Fig. 3. Diagram of stripping force of “Moskovskaya 56” wheat:
1 – stripping fingers with a gap of 5 mm; 2 – stripping fingers with a gap of 6 mm

 

 

При использовании гребенки с шириной щели 7 мм при очесе пшеницы «Московская 40» также наблюдаем значительное непрочесывание колосьев. Результаты измерений усилий очеса пшеницы «Московская 40» с гребенками 5 и 6 мм показаны на диаграмме рисунка 4. Согласно диаграмме усилие очеса при использовании гребенки со щелью 6 мм изменялось в пределах 8,1...14 Н. Усилие очеса при использовании гребенки со щелью 5 мм составило 16,5...20,6 Н.

 

 

Рис. 4. Диаграмма усилий очеса колоса пшеницы сорта «Московская 40»:
1 – гребенка со щелью 5 мм; 2 – гребенка со щелью 6 мм

Fig. 4. Diagram of stripping strange of “Moskovskaya 40” wheat:
1 – stripping fingers with a gap of 5 mm; 2 – stripping fingers with a gap of 6 mm

 

Напрашивается вывод, что непрочесывание колосьев пшеницы сортов «Московская 40» и «Московская 56» гребенками с шириной щели 7 мм при проведении экспериментальных исследований будет соответствовать аналогичному явлению при работе очесывающего устройства. Однако в работе М. А. Бурьянова [15] указано, что колебания стебля при работе очесывающего устройства способствуют контакту зубьев гребенки с колосом и выделению зерна. При этом граничные условия возникновения и параметры колебаний не указаны, поэтому данный вопрос требует дополнительного изучения.

Обсуждение и заключение

В результате исследования получены экспериментальные данные по значениям усилий очеса колосьев пшеницы сортов, характерных для Центрального экономического района Российской Федерации. Максимальные усилия получены при очесе колосьев пшеницы сорта «Касар» гребенкой с шириной щели 6 мм: 17,4...24,2 Н. Минимальные усилия получены при очесе колосьев пшеницы сорта «Московская 56» гребенкой с шириной щели 6 мм: 7,4...12,2 Н.

Установлена зависимость усилий очеса от морфоструктурных показателей продуктивности колоса: ширины, толщины, плотности. Так, диапазон полученных усилий очеса колосьев пшеницы сорта «Московская 40» составил 12…17,2 Н. При очесе же более крупных колосьев пшеницы сорта «Касар» диапазон усилий составил 17,4...24,2 Н. Пшеница сорта «Московская 40» в сравнении с сортом «Московская 56» имеет чуть большую плотность колоса равную 2,2. При этом усилие очеса возрастает с 12…17,2 Н до 16,5…20,6 Н.

Установлена зависимость усилий очеса  от ширины щели очесывающей гребенки. Так, при использовании гребенок с шириной 5 и 6 мм при очесе пшеницы сорта «Московская 40» диапазоны усилий составили 16,5...20,6 Н и 8,1...14 Н соответственно. Одной из причин зависимости является степень выделения зерна из колоса. Другой причиной может быть расположение центров приложения усилий при взаимодействии колоса и зубьев гребенки, что требует дополнительного изучения.

¹           Прицепное очесывающее устройство: пат. 2656414 Рос. Федерация. № 2016140996; заявл. 18.10.2016; опубл. 05.06.2018, Бюл. № 16. URL: http://www1.fips.ru/fips_servl/fips_servlet?DB=RUPAT&DocNumber=2656414&TypeFile=html (дата обращения 15.05.2019).

²           Теория, конструкция и расчет сельскохозяйственных машин: учебник для вузов сельскохозяйственного машиностроения. 2-е изд., перераб. и доп. / под редакцией Е. С. Босого. М.: Машиностроение, 1978. 568 c.

³           Теория, конструкция и расчет сельскохозяйственных машин: Учебник для вузов сельскохозяйственного машиностроения. 2-е изд., перераб. и доп. / под редакцией Е. С. Босого. М.: Машиностроение, 1978. 568 c.

⁴           ФГБНУ Калужский НИИСХ. Исследования [Электронный ресурс]. URL: http://www.kniish.org/research/ (дата обращения 15.05.2019).

⁵           Государственный реестр селекционных достижений. Реестр. Сорт Московская 40 [Электронный ресурс]. URL: https://reestr.gossort.com/reestr/sort/9253284 (дата обращения 15.05.2019).

⁶           Государственный реестр селекционных достижений. Реестр. Сорт Московская 56 [Электронный ресурс]. URL: https://reestr.gossort.com/reestr/sort/9553369 (дата обращения 15.05.2019).

Sobre autores

Vladimir Savin

Autor responsável pela correspondência
Email: savin.study@yandex.ru
ORCID ID: 0000-0002-2476-9768

Associate Professor of Chair of Heat Engines and Hydromachines, Ph.D. (Engineering)

Bibliografia

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares

Ação

1. JATS XML

Baixar

2. Fig. 1. Measuring device: 1– stripping fingers; 2 – вracket; 3– strain gauge

Baixar (24KB)

Metadados

3. Fig. 2. Diagram of stripping strange of “Kasar” wheat: 1 – stripping fingers with a gap of 6 mm; 2 – stripping fingers with a gap of 7 mm

Baixar (58KB)

Metadados

4. Fig. 3. Diagram of stripping force of “Moskovskaya 56” wheat: 1 – stripping fingers with a gap of 5 mm; 2 – stripping fingers with a gap of 6 mm

Baixar (61KB)

Metadados

5. Fig. 4. Diagram of stripping strange of “Moskovskaya 40” wheat: 1 – stripping fingers with a gap of 5 mm; 2 – stripping fingers with a gap of 6 mm

Baixar (54KB)

Metadados